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储能系统技术 储能系统 电池管理系统BMS ★ 5.0

评估并联异质电池串等效电路模型的通用性与有效性

Evaluating the Generality and Effectiveness of Equivalent Circuit Models for Battery Strings With Heterogeneous Cells Connected in Parallel

作者 Xiaogang Wu · Xinhao Du · Ziyou Song
期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics
出版日期 2025年4月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 电池管理系统BMS
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 等效电路模型 并联电池 近似参数等效电路模型 模型误差 电化学阻抗谱
语言:

中文摘要

等效电路模型(ECM)因其在简易性和准确性之间取得了良好平衡,而被广泛应用于锂离子电池管理系统中。然而,当单个电池存在异质性时,ECM能否准确模拟并联电池单元的动态特性仍不明确。为解决这一问题,本文提出了一种近似参数等效电路模型(AECM),用于在频域中表征容量和内阻不一致的并联电池的输入 - 输出特性。此外,还建立了并联单个电池的一阶等效电路模型用于对比。通过计算这两种模型的传递函数,分析了随着电池单元在容量和内阻等参数上的不一致性增加,模型误差是如何变化的。最后,利用电化学阻抗谱验证了AECM在不同工况下的误差。理论分析和实验结果表明,即使在并联的异质电池组中存在6%的容量差异,AECM仍能在各种工况下(包括电动汽车和电力系统应用中几种具有代表性的电池运行曲线)准确表征电池组的动态特性,误差小于2%,这证明了所提出的AECM具有广泛的有效性。

English Abstract

The equivalent circuit model (ECM) is widely used in lithium-ion battery management systems because of its well-balanced simplicity and accuracy. However, it remains unclear whether the ECM can accurately model the dynamics of parallel-connected battery cells when the individual cells are heterogeneous. To address this issue, an approximate-parameter ECM (AECM) has been proposed to represent the input–output characteristics of parallel batteries with inconsistent capacity and internal resistance in the frequency domain. Additionally, a first-order ECM for parallel individual cells has been established for comparison. The transfer functions of the two models are calculated to analyze how model errors change with increasing inconsistencies among cells in parameters such as individual cell capacity and internal resistance. Finally, electrochemical impedance spectroscopy is used to validate the errors of the AECM under different operating conditions. Theoretical analysis and experimental results indicate that even with a 6% capacity variation in a battery pack with heterogeneous cells connected in parallel, the AECM can still accurately characterize the battery pack dynamics with an error of less than 2% under various conditions, including several representative operation profiles for batteries in electric vehicle and power system applications, demonstrating the broad effectiveness of the proposed AECM.
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SunView 深度解读

从阳光电源储能系统业务视角来看,这项针对异质并联电池串等效电路模型的研究具有重要的工程应用价值。在大规模储能系统中,电池组内部单体差异性是影响系统性能和寿命的关键因素,而精确的电池模型是实现高效电池管理系统(BMS)的基础。

该研究提出的近似参数等效电路模型(AECM)为解决并联异质电池建模难题提供了有效方案。实验验证表明,即使在6%容量差异下,模型误差仍可控制在2%以内,这对阳光电源的储能产品具有直接应用价值。在我们的工商业储能和大型电站储能系统中,电池单体一致性管理一直是技术难点,该模型可显著提升BMS的状态估计精度,优化充放电策略,延长电池使用寿命。

技术成熟度方面,该方法基于成熟的等效电路模型理论框架,通过电化学阻抗谱验证,具备较好的工程化基础。其在电动汽车和电力系统多种工况下的有效性验证,与阳光电源储能系统的实际应用场景高度契合。建议重点关注以下应用方向:一是将AECM集成到现有BMS算法中,提升SOC/SOH估算精度;二是利用该模型优化并联电池组的均衡策略,降低系统损耗;三是在储能系统全生命周期管理中应用该模型进行预测性维护。

技术挑战主要在于模型参数的在线辨识和计算复杂度控制,需要在精度与实时性间取得平衡。此外,还需针对阳光电源产品的特定应用场景进行大量工况测试验证,确保模型在极端温度、高倍率充放电等条件下的鲁棒性。